金刚石刀具研磨压力自适应控制技术研究

论文摘要

天然金刚石刀具是进行单点金刚石切削加工及相关科研工作的重要工具,但天然金刚石所具有的质脆、易崩裂、高温下易产生热化学磨损和扩散磨损等特殊的物理化学特性给金刚石刀具的精密研磨带来一定困难。刀具研磨的工艺经验表明,研磨压力是影响刀具刃口质量的重要因素。金刚石刀具研磨所需要的研磨压力较小,而且需要在研磨过程中保持稳定。因此,实现金刚石刀具研磨过程中“小压力的稳定控制”是获得高质量金刚石刀具的关键之一,也是本论文研究的主要目标。基于“小压力稳定控制”的需求,论文首先分析了金刚石刀具研磨压力控制系统中造成研磨压力波动的主要因素,提出了采用主被动隔振法控制研磨压力的技术路线,根据影响研磨压力的外界干扰所具有的周期性特点,分析了主被动隔振法在金刚石刀具研磨压力控制过程中的适用性,并建立了金刚石刀具研磨压力控制模型,分析了外部力扰动、主动控制位移在控制模型中的变化规律及其叠加效应,讨论了被动隔振器、主动隔振器的设计需求和应用条件。为了抑制高频力扰动,采用椭圆型柔性铰链结构设计了柔性调压平台作为系统中的被动隔振器。依据材料力学的基本原理,论文对柔性调压平台进行了分析计算,通过ANSYS软件对其静、动态性能进行了有限元建模分析,并进行了实际的静、动态性能测试。测试结果表明,柔性调压平台静态加载变形曲线的线性度较好,对高频激振具有良好的抑制能力,满足被动隔振器的使用要求。为了提高系统的低频隔振性能,主动隔振器采用了预测函数控制的自适应控制算法,以适应控制过程的实时性和鲁棒性要求,并针对金刚石刀具研磨过程中外部扰动的周期性特点,利用迭代学习控制算法对主动控制的位移量进行了修正。论文对控制算法的稳定性和鲁棒性进行了数学证明,并通过Matlab仿真和建立综合控制实验系统验证了系统的实际控制能力。实验结果表明,系统对于20～160Hz频率范围内不同频率的外部力扰动都具有明显的衰减作用,衰减幅度都超过了30%。但是在实验装置中,运动平台的响应速度较低,控制系统采样周期较长,受这些因素影响,系统的控制性能难以有效提高。实际应用时,需要改进和完善实验装置相关元器件配置,以更好地满足金刚石刀具研磨加工的工艺需求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 单点金刚石切削技术在精密加工中的应用
• 1.3 单点金刚石切削技术对金刚石刀具的具体要求
• 1.3.1 刀具锋锐度
• 1.3.2 刀具轮廓度
• 1.3.3 刀具耐用度
• 1.4 金刚石的物理化学特性及金刚石刀具的磨损形式
• 1.5 影响金刚石刀具研磨质量的工艺因素
• 1.6 研磨压力控制的重要性及基本实现方式
• 1.7 自适应控制理论的应用及其发展现状
• 1.8 课题来源、研究目的和意义
• 1.9 论文研究的主要内容
• 第二章 金刚石刀具研磨压力控制过程分析
• 2.1 引言
• 2.2 金刚石刀具研磨装置
• 2.3 影响研磨压力波动的主要因素
• 2.4 研磨压力控制模型
• 2.5 主被动隔振法的适用性
• 2.6 研磨压力控制过程的动力学分析
• 2.6.1 研磨压力控制过程的动力学方程
• 2.6.2 研磨力激励对系统惯性质量的作用
• 2.6.3 运动平台位移激励对系统惯性质量的作用
• 2.6.4 研磨力和运动平台位移作用效果的叠加
• 2.7 研磨压力控制器的实现方法
• 2.8 本章小结
• 第三章 被动隔振器的设计及其性能测试
• 3.1 引言
• 3.2 被动隔振器的结构
• 3.3 单边椭圆柔性铰链的结构参数计算
• 3.4 柔性调压平台的结构设计及计算
• 3.5 柔性调压平台结构的有限元分析
• 3.6 柔性调压平台的静态性能测试
• 3.7 柔性调压平台的动态性能测试
• 3.8 本章小结
• 第四章 主动隔振器及其研磨压力自适应控制算法设计
• 4.1 引言
• 4.2 主动隔振器的组成
• 4.3 预测函数控制原理
• 4.4 研磨压力预测函数控制算法
• 4.4.1 基函数
• 4.4.2 参考轨迹
• 4.4.3 预测模型
• 4.4.4 误差补偿
• 4.4.5 滚动优化
• 4.4.6 稳定性和鲁棒性分析
• 4.5 迭代学习控制方法对控制量的修正
• 4.6 控制过程的仿真分析
• 4.6.1 控制过程仿真参数的设定
• 4.6.2 预测函数控制算法的控制性能仿真
• 4.6.2.1 无外界干扰力时的系统控制性能
• 4.6.2.2 模型失配时的系统控制性能
• 4.6.2.3 瞬时力扰动时的系统控制性能
• 4.6.2.4 周期性力扰动时的系统控制性能
• 4.6.3 迭代学习-预测函数控制算法的控制性能仿真
• 4.7 本章小结
• 第五章 金刚石刀具研磨压力控制实验和分析
• 5.1 引言
• 5.2 研磨压力控制实验装置
• 5.3 下位机控制程序结构
• 5.4 运动平台动态性能测试
• 5.5 研磨装置对于激振器的运动跟踪实验及分析
• 5.5.1 运动跟踪实验方法
• 5.5.2 主动控制算法的实际控制效果
• 5.5.3 影响压力控制效果的主要因素
• 5.6 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 研究工作总结
• 6.2 研究工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 攻读硕士学位期间发表的论文和参加的学术活动
• 发表的文章
• 参加的主要学术活动